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以EHT-Japan的成員們?yōu)橹行牡膰H研究小組，使用以東亞VLBI網(wǎng)絡為代表的觀測裝置，對從橢圓銀河M87的中心噴出的射流的運動進行了詳細的觀測。 對在過去20多年的觀測中得到的大量圖像進行分析總結(jié)后，發(fā)現(xiàn)射流的噴出方向以約11年為周期進行了廣義相對論預言的旋進運動(搖頭運動)。 本成果既表明了M87的巨大黑洞在自轉(zhuǎn)(自旋)，也證實了黑洞的自轉(zhuǎn)與強力射流的產(chǎn)生有很深的關(guān)系。 研究成果于2023年9月27日刊登在英國科學雜志《自然》上。

[圖1]在自轉(zhuǎn)的巨大黑洞周圍進行旋進運動(立體搖頭運動)的降落圓盤和射流的想象圖。 黑洞的自轉(zhuǎn)軸在圖的上下方向是固定的。 當降落圓盤的旋轉(zhuǎn)軸相對于黑洞的旋轉(zhuǎn)軸傾斜時，由于廣義相對論的效果會產(chǎn)生這樣的旋進運動。 信用: Cui et al. (2023 )，Intouchable Lab@Openverse，Zhejiang Lab。

人們認為，宇宙中許多銀河的中心，潛伏著質(zhì)量是太陽數(shù)百萬倍到百億倍的巨大黑洞。 其中一部分非?；钴S，噴出被稱為噴氣(※1 )的束狀氣體，作為“活動銀河核(※2 )”而閃耀。 這些巨大黑洞的性質(zhì)和射流的形成機制還有很多謎團，是天文學的前沿主題之一。 距離地球5500萬光年的橢圓銀河M87是最具代表性的活動銀河核之一，作為2019年利用活動地平線望遠鏡( EHT※3 )拍攝到了質(zhì)量相當于太陽65億個的巨大黑洞的天體而聞名。 2023年4月，通過全球毫米波VLBI觀測網(wǎng)( GMVA※4 )，圍繞巨大黑洞的被稱為“沉降圓盤(※5 )”的氣體圓盤的情況也得到了證實。 這樣的觀測決定了活動星系核的終極能量來源是巨大黑洞和沉降圓盤，同時也暗示了這些與射流的形成也有關(guān)系。 另一方面，研究人員表示:“M87的巨大黑洞是否在自轉(zhuǎn)(自旋)？ ”這個疑問繼續(xù)作為一個重大的關(guān)注事項被討論著。 愛因斯坦的廣義相對論表明，自轉(zhuǎn)和質(zhì)量是決定黑洞基本性質(zhì)和周圍時空結(jié)構(gòu)的最重要因素。 另外，近年來的理論研究提出，驅(qū)動強力射流需要黑洞的自轉(zhuǎn)能量。 但是，與根據(jù)黑洞的大小和周圍星星的運動等比較容易測量的質(zhì)量相反，從觀測中辨別有無自轉(zhuǎn)并不容易。 研究小組此次以通過東亞VLBI網(wǎng)絡( East Asian VLBI Network: EAVN※6 )及美國電波望遠鏡網(wǎng)絡獲得的觀測數(shù)據(jù)為中心，分析了過去20多年積累的長達170張的M87射流的電波圖像 結(jié)果發(fā)現(xiàn)射流的噴出方向在約11年的周期內(nèi)周期性變化(圖2 )。 在以前的研究中，暗示了存在M87噴氣相對于噴出方向橫向擺動的“神秘的橫向擺動”現(xiàn)象(※7 )，但其原因和有無周期尚不清楚。

[圖2] (上) EAVN等拍攝的M87噴氣的電波圖像的例子。 從2013年到2018年，將在波長7mm波段拍攝的許多圖像每兩年平均成3個圖像。 從各圖像中心部延伸的箭頭表示噴射的噴出方向。 (下) 2000年到2022年之間測量的射流噴出方向的時間變化。 紅色正弦曲線表示與測量結(jié)果最佳匹配的11年周期旋進模型。 圖片信用: Cui et al. (2023 )

“做這個發(fā)現(xiàn)的時候我打了一個寒顫。 ”本研究的筆頭作者、研究生時代在國立天文臺水澤VLBI觀測所進行研究的Zhejiang Lab (之江實驗室)的崔玉竹研究員這樣說道。 “光是分析12年的數(shù)據(jù)就很困難，但這是光靠這一點是絕對無法捕捉到的變化。 仔細分析長達20多年的令人望而卻步的海量數(shù)據(jù)促成了這次的新發(fā)現(xiàn)。 ” 這種射流的周期變化意味著什么呢？ 為了查明其原因，研究小組進一步使用設(shè)置在國立天文臺水澤的天文學專用超級計算機“Ateriⅱ(※8 )”進行了理論模擬，并考察了觀測結(jié)果。 結(jié)果表明，觀測到的11年周期的噴射振動可以用自轉(zhuǎn)的黑洞拖動周圍時空產(chǎn)生的被稱為“透鏡-先令旋進(※9 )”的運動很好地解釋(圖3 )。

[圖3]在阿特魯伊ⅱ進行的廣義相對論磁流體模擬顯示了著陸圓盤及射流的旋進情況。 初期設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸相對于黑洞的自轉(zhuǎn)軸傾斜的沉降圓盤，追蹤其時間變化的情況。 彩色圖表示子午面上的密度。 信用:川島朋尚

“透鏡-先令的歲差，類似于地球芝麻引起的歲差。 在地球芝麻，作用于傾斜陀螺的地球重力會成為旋進運動的誘因。 在這次的情況下，由于黑洞自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力作用于傾斜的沉降圓盤，引起透鏡-先令旋進。 ”負責理論模擬的東京大學宇宙線研究所的川島朋尚研究員這樣解釋。 “利用阿特魯伊ⅱ進行了旋轉(zhuǎn)軸相對于黑洞自轉(zhuǎn)軸傾斜的沉降圓盤的數(shù)值模擬。 于是，發(fā)現(xiàn)由于透鏡-先令的年齡差，著陸圓盤會以與觀測相同程度的周期旋轉(zhuǎn)。 而且模擬結(jié)果顯示，隨著著陸圓盤的運動，射流也同樣進行旋進運動。 ” 本研究有力地證實了M87的巨大黑洞正在自轉(zhuǎn)。 同時，這也強烈支持了自轉(zhuǎn)與射流的形成密切相關(guān)的理論(※10 )，是在解決困擾研究者多年的難題上取得巨大進步的成果。 “本成果是以東亞地區(qū)為中心的世界45個研究機構(gòu)的研究人員經(jīng)過團隊聯(lián)合觀測多年后終于揭開的令人興奮的科學里程碑。 ”擔任EAVN活動銀河核科學工作組發(fā)起人的工學院大學紀基樹客座研究員這樣說道。 “完美擬合簡單正弦曲線的長達20多年的觀測數(shù)據(jù)，將為我們對黑洞和噴氣射流的理解帶來巨大的進展。 ” 在水澤從研究生時代就開始指導崔氏的研究，共同進行研究的國立天文臺水澤VLBI觀測所的秦和弘助教說:“在要求創(chuàng)造短期研究成果的今天，這次的成果可以說是長年踏實的數(shù)據(jù)積累帶來重大發(fā)現(xiàn)的好例子。 由于噴射的強大能量對周圍的物質(zhì)也有很大的影響，所以捕捉到促進其發(fā)生的黑洞自轉(zhuǎn)的證據(jù)也可以成為解開銀河形成·進化歷史的線索吧。 ”的評論。 研究小組繼續(xù)觀測M87噴氣。 作為EAVN的主要電視臺，運用VERA望遠鏡的國立天文臺水澤VLBI觀測所所長本間希樹教授說:“今后通過將得到的射流的形狀變化與用EHT得到的黑洞的動畫進行比較，希望能更加正確地導出黑洞和射流的連接和自轉(zhuǎn)的速度。 ”他表達了今后的抱負。

論文信息

這項研究成果刊登在英國科學雜志《自然》2023年9月27日的Cui et al .“precess ing jet nozzle connecting to a spinning black hole in M87”上。 這是包括日本10個機構(gòu)在內(nèi)的世界45個研究機構(gòu)、79名研究者的國際共同研究成果。 DOI:10.1038/s41586-023-06479-6

URL: https://www./articles/s41586-023-06479-6

日本的貢獻

在本國際共同研究中，日本的研究機構(gòu)及日本研究者從各種各樣的觀點做出了重要的貢獻。 主要內(nèi)容總結(jié)如下。 研究總結(jié)及觀測立案 包括VERA等日本電波望遠鏡在內(nèi)的EAVN的運用 日韓聯(lián)合相關(guān)器的開發(fā)聯(lián)合運用 觀測數(shù)據(jù)的分析成像 使用國立天文臺天文學專用超級計算機“Atii”的觀測結(jié)果的理論考察和京及富岳項目的模擬代碼的開發(fā)

腳注.用語解說

※1光子環(huán) 從巨大黑洞附近噴出的高速等離子氣體的流動。 其一大特征是具有光速的90%以上的速度，在保持著纖細的形狀的情況下延伸到銀河之外。 噴氣于1918年在M87銀河中心被發(fā)現(xiàn)為“不可思議的光之箭”。 如何擺脫巨大黑洞的重力，形成射流，加速到接近光速度，其闡明是天文學的一大課題。 ※2活動星系核 在銀河中，中心核的小區(qū)域非常明亮。 這叫做活動星系。 中心有一個巨大的黑洞，被吸入其中的氣體和相反噴出的噴氣被認為會明亮地閃耀著。 ※3 EHT (Event Horizon Telescope ) 主要是在波長1.3mm波段進行的全球范圍的VLBI網(wǎng)絡的名字。 2019年M87、2022年，關(guān)于銀河中心，公開了由EHT拍攝的巨大黑洞圖像。 截至2023年，包括智利阿爾瑪望遠鏡在內(nèi)的世界9個地方11臺毫米波望遠鏡加入了EHT的網(wǎng)絡。 ※4 gmva (全球毫米陣列) 這是在3.5mm波段進行的全球VLBI網(wǎng)絡的名稱。 截至2023年，包括智利阿爾瑪望遠鏡在內(nèi)的全球23臺毫米波望遠鏡已加入GMVA網(wǎng)絡。 ※5著陸圓盤 氣體被吸引向中心的沉重天體落下，這叫做降落。 通常，氣體在旋轉(zhuǎn)運動的同時向中心天體落下。 此時，在離心力的作用下，氣體變成扁平的結(jié)構(gòu)，形成的就是沉降圓盤。 特別是在黑洞周圍的沉降圓盤中，黑洞附近的重力能量被釋放，轉(zhuǎn)換成巨大能量的磁場和光能。 一般認為，由沉降圓盤放大的磁場被運送到黑洞，對射流的形成起了很大的作用。 另外，由于巨大的能量作為光被釋放，伴隨著沉降圓盤的巨大黑洞被觀測為活動星系核。 ※6 eavn ( east Asian VLBI網(wǎng)絡； 東亞VLBI網(wǎng)絡) 是由以日本、韓國、中國、泰國為首的東亞、東南亞地區(qū)的電波望遠鏡構(gòu)成的國際VLBI網(wǎng)絡。 截至2023年，共有16臺射電望遠鏡加入網(wǎng)絡，以4.5cm波段、1.3cm波段、7mm波段的3個觀測波段為中心進行運用。 最大基線長為中國南尚-小笠原之間的5100km。 共有13臺電波望遠鏡(水澤、來來、小笠原、石墻、日立、高萩、野邊山、首爾、烏爾桑、丹納、約翰、上海、南山)參加了本研究的觀測。 另外，意大利(梅迪奇納、筆記本、撒丁尼亞)和俄羅斯(巴里)的射電望遠鏡也參加了部分EAVN觀測。 ※7 從以前開始就眾所周知，流動的情況會沿著噴射的噴出方向變化。 ※8超級計算機“阿特魯伊ⅱ” 國立天文臺天文模擬項目運用的天文學專用超級計算機。 理論運算性能為3.087 PETA flop (1PETA為10的15次方，flop是表示計算機每秒可處理的運算次數(shù)的單位)，是世界上天文學數(shù)值計算專用機中最快的。 設(shè)置在巖手縣奧州市的國立天文臺水澤校區(qū)，與平安時代活躍的當?shù)赜⑿郯⑻佤斠料嗨泼?包含著“希望你勇猛果敢地挑戰(zhàn)宇宙之謎”的愿望。 ※9透鏡-密封效應/歲差( Lense-Thirring效應/歲差) 在自轉(zhuǎn)的天體(黑洞、地球等)周圍，廣義相對論效果會使時空本身受到天體自轉(zhuǎn)的拖動而旋轉(zhuǎn)。 這種時空拖曳效應稱為透鏡-密封效應。 由透鏡先令效應引起的年齡差運動就是透鏡先令的年齡差。 旋進是指物體的旋轉(zhuǎn)軸像鋸齒一樣一邊畫著圓一邊擺動的現(xiàn)象。 對于著陸圓盤，當著陸圓盤的旋轉(zhuǎn)軸和黑洞的旋轉(zhuǎn)軸傾斜時會發(fā)生這種現(xiàn)象。 另外，透鏡-先令的歲差不限于黑洞等極端的強重力天體，也由地球等弱重力天體的自轉(zhuǎn)引起。 例如，2000年代，美國航天局和斯坦福大學發(fā)射的衛(wèi)星“gravity probe B”搭載的陀螺儀，在理論預測的15%的范圍內(nèi)，驗證了地球自轉(zhuǎn)引起的微弱時空拖曳引起的旋進的情況。 而且，在這次的M87的觀測中，成功地就黑洞周圍的重力場引起的極強的時空拖曳效果和透鏡-先令旋進的色差，顯示了迄今為止最強的證據(jù)。 ※10品牌福特- znajek機構(gòu)( Blandford - Znajek機構(gòu)) 相對論性噴氣的加速機構(gòu)，從1918年首次在M87上觀測到噴氣至今已有100年，但至今仍不清楚。 目前，加速機構(gòu)最有力的候選機構(gòu)是品牌福特·茲納?？藱C構(gòu)。 理論表明，這是一種通過磁場抽取黑洞自轉(zhuǎn)能量的機制，很有可能將射流加速到光速的99%以上。 由于黑洞需要自轉(zhuǎn)，通過這次的觀測掌握了需要天體自轉(zhuǎn)的透鏡-先令旋進的證據(jù)，證實了品牌福特·斯那克機制很有可能正在發(fā)生。

致謝詞

該研究由文部科學省/日本學術(shù)振興會科學研究費補助金( No. JP18H03721、JP19H01943、JP18KK0090、JP21H01137、JP22H00157、JP18K13594、jp19h 000 JP19KK0081 )、文部科學省超級計算機“富岳”成果創(chuàng)造加速程序“通過模擬和AI的融合來闡明的宇宙結(jié)構(gòu)和進化”( JPMXP1020230406 )、以及其他，都是在國際支持下進行的。 關(guān)于所有支援機構(gòu)，請參閱論文謝辭。

國內(nèi)聯(lián)合發(fā)表機構(gòu)

自然科學研究機構(gòu)國立天文臺、茨城大學、大阪公立大學、工學院大學、駒澤大學、綜合研究研究生院大學、筑波大學、東京大學宇宙線研究所、東洋大學、山口大學

[記者発表で用いた資料はこちら]

咨詢處 秦和弘國立天文臺水澤VLBI觀測所 Email: kazuhiro.hada哎呀 紀基樹工學院大學 Email: motoki.kino啊 川島朋尚東京大學宇宙線研究所 Email: kawshm哎呀icrr. 本間希樹國立天文臺水澤VLBI觀測所 Email: mareki.honma哎呀 山岡均國立天文臺天文信息中心 E-mail: hitoshi.yamaoka哎呀 影像.視頻集

東亞VLBI網(wǎng)絡( EAVN )

信用:國家天文臺

超級計算機“Atii”

信用:國家天文臺

射流噴出方向隨時間變化的情況

信用: Cui et al.(2023 )

從M87銀河的巨大黑洞噴出的噴氣視頻

[ジェットの向きの矢印ガイドなし版はこちら]

信用: Cui et al.(2023 )，animation by Kazuhiro Hada

アテルイIIによる理論シミュレーション動畫

通過實施一般相對論輻射傳輸計算(光的傳播計算)，將本研究所示的一般相對論磁流體模擬(高溫氣體運動的模擬)的結(jié)果可視化的視頻。 上下延伸的蒼白區(qū)域是噴氣，中心附近的淡藍色區(qū)域是降落圓盤。 展示了鏡頭-先令旋進的情況。 初期射流的方向為右斜上/左斜下。 在左上的模擬時刻( t )，從14000左右開始透鏡-先令旋進運動，在時刻20000左右旋轉(zhuǎn)到左斜上/右斜下的方向，在視頻的最后( 26000附近)返回到接近初期的方向。 模擬時間10000約相當于10年，可以看出發(fā)生了約10年周期的歲差運動。 另外，該視頻考慮了可視性，模擬了比實際的M87更傾斜方向(赤道面方向)的觀測。 計算中使用了阿替洛爾ⅱ。 信用::川島朋尚、高橋博之、大須賀健

圍繞自轉(zhuǎn)的黑洞旋進的著陸圓盤和射流的CG動畫

[簡易デザイン版はこちら]

信用: Cui et al. (2023 )，Intouchable Lab@Openverse，Zhejiang Lab

相關(guān)鏈接

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